Большинство растений в основном поглощают свет с длинами волн красной, оранжевой, синей и фиолетовой областей видимого спектра. Как правило, свет с длинами волн желтой и зеленой областей спектра отражается и практически не способствует росту растений. Контролируя области спектра и интенсивность воздействия света на разных этапах жизни растения, можно максимально ускорить рост и в конечном итоге повысить урожайность.
На рис. 1 показана схема, предназначенная для измерения интенсивности света в видимом спектре, в котором растения активны в плане фотосинтеза. Здесь используются три фотодиода разных цветов (зеленый, красный и синий), которые реагируют на различные длины волн. Измеренную с помощью фотодиодов интенсивность света можно применить для управления источником света в соответствии с требованиями к росту конкретных растений.

Представленная схема состоит из трех прецизионных каскадов преобразователей тока в напряжение (трансимпедансных усилителей) — по одному для каждого из цветов: зеленого, красного и синего. Их выходы подключены к дифференциальным входам сигма-дельта АЦП, который может передавать измеренные значения в виде цифровых данных,например, в микроконтроллер для дальнейшей обработки.

Преобразование интенсивности света в электрический ток
В зависимости от интенсивности света через фотодиоды протекает большее или меньшее количество тока. Соотношение между током и интенсивностью света является практически линейным, как это показано на рис. 2. Здесь представлены характеристические кривые выходного тока, зависящего от интенсивности света для красного (CLS15-22C/L213R/TR8), зеленого (CLS15-22C/L213G/TR8) и синего (CLS15-22C/L213B/TR8) фотодиодов.

Однако показатели относительной чувствительности красного, синего и зеленого фотодиодов различны, поэтому коэффициент усиления каждого каскада должен определяться отдельно с помощью сопротивления обратной связи Rfb. В этом случае ток короткого замыкания (Isc) для каждого фотодиода необходимо взять из документации, а затем, исходя из этого, следует определить чувствительность S (пА/лк) в рабочей точке. После этого Rfb можно рассчитать следующим образом:

где Vfs,p‑p представляет собой желаемый полный диапазон выходного напряжения: fs — полный масштаб; p‑p — от пика до пика; INTmax — максимальная интенсивность света, которая равна 120 000 лк для прямых солнечных лучей.

Преобразование тока в напряжение
Для того чтобы осуществить высококачественное преобразование тока в напряжение, желательно взять операционный усилитель с минимальным током смещения, поскольку выходной ток фотодиода находится в пикоамперном диапазоне, что может привести
к значительным ошибкам. Также необходимо обеспечить низкое напряжение смещения. Операционный усилитель AD8500 компании Analog Devices, обладающий номинальным током смещения 1 пА и максимальным напряжением смещения 1 мВ, становится хорошим выбором для такого рода применений.

Аналого-цифровое преобразование
С целью дальнейшей обработки измеренных значений ток фотодиода, который до этого был преобразован в напряжение, необходимо завести в микроконтроллер в цифровой форме. Для этого можно использовать АЦП с несколькими дифференциальными входами, например, 16‑разрядный АЦП AD7768. В итоге выходной код, соответствующий измеренному напряжению, будет определяться следующим образом:

где N — количество бит; Ain — входное напряжение; GAIN — коэффициент усиления встроенного усилителя; Vref — напряжение внешнего источника опорного напряжения.
Для последующего уменьшения уровня шума на каждом из дифференциальных входов АЦП используется режим синфазного сигнала и дифференциальный фильтр.
Все изображенные на схеме компоненты характеризуются сверхмалым энергопотреблением, что делает ее идеальной для работающих в полевых условиях портативных устройств с батарейным питанием.

Заключение
При разработке устройств для измерения интенсивности света следует учитывать источники ошибок, такие как токи смещения и напряжения смещения компонентов. Кроме того, неоптимальные коэффициенты усиления преобразовательных каскадов могут влиять на качество сигнала и, следовательно, на работу схемы в целом. С помощью схемы, представленной на рис. 1, можно преобразовать интенсивность света в электрическую величину для дальнейшей обработки данных относительно простым способом.